刘全兴

（青岛特钢有限公司）

摘  要  本文提出了高炉水煤气爆炸的概念和特点，对国内几起公开报道的重大水煤气爆炸着火事故案例进行了原因分析，并从事故成因和爆炸机理上进行了论述。在分析的基础上提出从安全管理、高炉操作、工艺设计缺陷和设备等方面的防范措施。

关键词  高炉  水煤气  爆炸  分析  防范措施

1  概述

在钢铁工业快速发展的同时，个别地区和个别冶金工厂由于忽视安全生产，缺乏熟知煤气技术人员和必要的技术措施和有效管理，今年以来，出现了过去也不多见的高炉水煤气爆炸和着火事故。造成重大人员伤亡和财产损失。煤气事故频发已引起各级领导和有关部门的高度重视，新闻媒体对典型案例也进行报道，以警示其他企业。认真分析各类煤气事故产生的原因，有针对性地加强管理，消除隐患，规范操作，完善制度的建立，强化专业管理部门的职能，降低事故频率，减少人员与财产损失都具有十分重要的意义。

目前，煤气已经应用到所有钢铁生产工序，但煤气操作及高水平管理人员队伍培养相对“滞后”,满足不了实际需要。煤气专业系一门特殊的“交叉学科”，煤气安全技术普及教育没有形成规范化、制度化，设计、审查、生产设备管理缺乏对煤气设施应有的专业知识和经验，部分高炉超设计能力操作；干法煤气净化，对炉顶温度要求严格。

什么是高炉水煤气爆炸？在高炉生产过程中，由于有水的因素加入，如炉顶打水降温或冷却设备大量漏水等与炽热的无烟煤和焦炭相遇造成煤气中含有氧气和氢气，使得煤气爆炸极限宽泛，加之温度条件具备而引起的煤气爆炸。水煤气（water gas）的主要成分是CO、H2。水煤气爆炸不同于一般的煤气爆炸，燃烧速度为汽油的7.5倍。水煤气爆炸破坏力更大，损坏程度更严重。

高炉水煤气爆炸类型主要有：高炉停炉打水；高炉炉顶温度升高打水；炉皮开裂打水；高炉冷却设备破损漏水等等。

高炉水煤气爆炸事故的特征：事故突发性强；爆炸威力巨大；波及范围面广；发生连锁反应；设备损坏严重；造成群死群伤。

2  国内几起高炉水煤气爆炸的案例分析

2.1  案例概况

案例1：某钢厂炼铁厂一号高炉爆炸事故概要：1990年3月12日7时56分，一号高炉在生产运行中发生爆炸。高炉托盘以上炉皮（标高15—29米）被崩裂，大面积炉皮趋于展开。炉身支柱被推倒，炉顶设备连同上升管、下降管及上料斜桥等全部倾倒、塌落。出铁场屋顶被塌落物压毁两跨。炉内喷出的红焦四散飞落将卷扬机室内的液压站、主卷扬机、PC—584控制机等设备全部烧毁。上料皮带系统也严重损坏。由于红焦和热浪的灼烫、倒塌物的打击及煤气的毒害，造成19名工人死亡，10人受伤，经济损失达2120万元。 

案例2：2019年3月30日，河南某炼铁分厂1号高炉在环保限产后复风过程中，上升管爆炸着火。

案例3：2019年5月29号江西某炼铁分厂2号高炉在生产过程中上升管发生爆炸，6死4伤[5]。

案例4：2019年10月31号，吉林某厂1号高炉下降管爆炸着火，一死两伤。

2.2  高炉炉顶煤气爆炸事故的原因分析

以冲击波传播火焰的燃烧方式就是爆炸。燃烧速度大于火焰传播速度，可燃气体或蒸汽与空气或氧的混合物，以及可燃烧物质的粉尘与空气或氧的混合物，在一定浓度范围内都能发生爆炸。煤气发生爆炸的必要条件是：

（1）煤气中混入空气或空气中混入煤气，形成爆炸性的混合气体；

（2）要有明火，达到煤气的着火温度。

只有这两个条件同时具备，才能发生煤气爆炸，二者缺一不可。转炉煤气中CO含量比高炉煤气高出2倍左右，还含有少量的氧，在使用中更要防止爆炸。

煤气爆燃的化学反应是链式反应，速度极快，燃烧产物体积爆增，管道、容器容纳不下，压力急速升高，超过承受能力即发生爆炸。爆炸时产生的冲击波很大，因而其破坏和危害也很大，要严加防范。

2.2.1  某钢厂3.12高炉本体爆炸事故

经技术分析论证认为，这是一起由于高炉内部爆炸，炉皮脆性断裂，推倒炉身支柱，导致炉体坍塌的特大事故。

据事故现场勘查、分析，高炉发生爆炸有以下几个方面的特征。

①炉皮断裂是由23处300～1400毫米长短不等的预存裂纹同时起裂所致，各预存裂纹两侧均有明显可见的向两侧护展的人字形断口走向，断口的基本特征是多处预存裂纹同时起型形成的脆性断口。

②风口的损坏导致向炉内漏水，造成炉内区域性不活跃现象，形成呆滞区。

③炉顶温度升高，两次打水降温，在一定程度上粉化了炉料，造成透气性差。

2.2.2  某钢厂“5.29事故”发生经过

2019年5月29日15时16分，二号高炉南出铁场出铁时，作业人员发现渣铁边出边凝结，导致铁口堵不上，被迫减风处理。16时整，白班值班工长沈某与中班值班工长叶某交接班后，沈某到炉前查看情况，叶某于16时20分开始对二号高炉实施减风操作。16时20分12秒首次减风，风量从1199m3/min减至1026m3/min，热风压力239 kPa，炉顶压力88.9kPa；16时21分40秒第二次减风，风量减至869m3/min，热风压力221kPa，炉顶压力84.1kPa；16时22分28秒，风量降至770 m3/min，炉顶压力上升至99.2kPa；16时23分33秒，炉顶压力瞬间陡升至300kPa（随后因超出可显示最大峰值，数据缺失），炉顶温度由152℃快速上升至696℃后数据缺失（超出显示范围）。约0.4秒后，东南、西南方向二根炉顶煤气上升管底部波纹补偿器处发生爆裂，上升管移位、形变，从波纹补偿器处断开，上升管旁的平台护栏受上升管撞击后落下，击穿南侧出铁场屋面彩钢瓦。波纹补偿器爆裂的瞬间，大量高温焦炭从爆裂处喷出、掉落，最远飞出距离约300米，集中掉落的高温焦炭造成南出铁场的9名作业人员和西侧安全通道上的1名员工被灼烫。

“某厂5.29事故”《调查报告》明确指出，当班工长未认真履行职责，未及时辨识出29日白班和本作业区内存在的安全隐患，在其当班期间，对炉况把握不准，操作不当，过量打水，留下重大安全隐患，对事故的发生负有直接责任。

3  高炉水煤气爆炸的机理

3.1  高炉打水过量是主因

煤气与空气（氧气）混合，在一定浓度范围内，达到着火溫度或遇明火，发生爆炸。此浓度范围称为爆炸范围或爆炸极限。

焦炉煤气的爆炸范围为4.72%--37.59%；

高炉煤气的爆炸范围为30.84%-89.49%；

转炉煤气的爆炸范围为18.22%-83.22%。

氢气的爆炸范围为4.0%－75.2%以上皆为体积浓度)。各种气体的爆炸极限不同，与其所含可燃气体的组分及浓度有关。

正常生产时高炉煤气系统是一密闭的煤气系统。产生的煤气一般不会有空气或氧气混入，不可能满足爆炸极限的条件。正常生产的高炉，顶温一般在350度以下，虽然不会满足煤气着火爆炸的温度条件，但高炉料面以下温度都较高，偶尔吹出明火是不可避免的事情，所以造成炉顶煤气爆炸的原因一定是煤气中混入了空气或氧气。通常情况下，打水如不能迅速汽化，水滴下落遇炽热的焦炭会发生如下水煤气反应:

           C+H2OCO+H2    

2H2O= 2H2+O2

           C+2H2OCO2+H2

           2C+O2=2CO

以上反应是在焦炭层表面反应的，水分解生成的氢气和氧气被下部煤气流迅速吹离焦炭层表面；炉顶打水的水煤气反应实质上只进行了水分解反应生成氢气和氧气。这就使得煤气中含有了大量氢和氧。落到焦层表面的水越多，煤气中含有的氢和氧浓度就越高。

另外，氢气的爆炸下限要远低于高炉煤气，而且氢气与高炉煤气的混合气，其爆炸下限应该低于两者的最低下限，使氢气与高炉煤气的混合气更容易产生爆炸。但起关健作用的还是氧气，没有氧气也不会爆炸。水遇炽热的焦炭分解生成了一部分氧气。常温常态下，水中也溶解着1－10ppm的游离氧，没有落到焦层表面而直接汽化的水随着水的汽化而释放出来，提供了另一个氧源。两者累积到一定浓度时，就会达到爆炸条件。   

无论高炉打水停炉或是处理炉顶温度高打水都存在这一风险。有人认为，料面上面应该有一层焦炭层，作为打水的过滤层，喷入高炉的水滴不是立即全部汽化的，尚有部分水未来得及汽化而落在料面上，在料柱的顶层形成一层湿润层。这样，一旦遇有悬料崩料，大量湿的炉料突然进入炽热的焦炭层，将造成破坏性的水煤气爆炸。在事故案例中，高炉操作出现“管道行程”是水煤气爆炸的帮凶。

3.2  炉体设备老化

炉体煤气系统设备老化，腐蚀严重或波纹膨胀器薄弱处，遇高炉大型崩塌料或管道行程，顶压突然升高，或炉顶打水顶压升高等，腐蚀严重的管壁受高压作用撕开，大量煤气泄出。这种情况因没有空气及氧气混入，不会爆炸，但突然撕开的煤气管网使高炉顶压迅速下降，大量炽热焦炭被吹出引燃煤气，发生火灾。事故细分，水煤气爆炸为主体，着火为次生灾害。

3.3  冷却设备漏水

高炉冷却设备漏水，同样会发生水煤气反应，不过因为漏水设备上方有充足的炙热焦炭，反应比较彻底，煤气中不会有游离态的氧存在。所以对于送风中的高炉不会有煤气爆炸的危险。但因为其会使煤气中氢含量增加，使煤气爆炸极限范围扩大，休风状态下，有少量空气混入遇明火极易爆炸，如炉顶点火爆炸等。

因此，能够引起送风状态下炉顶煤气爆炸的根本原因是煤气中氧，氢气浓度升高造成的，而其罪魁祸首就是炉顶打水。

4  高炉水煤气爆炸事故的防范措施

现代高炉多采用无钟顶布料和气密箱密封，密封性能好，为保护炉顶设备，无一例外的配备了炉顶打水装置。自动或手动，常规或高雾化等各种形式都有。可以说，这些方便的打水装置有效地保护了炉顶设备和容易实现高炉高压操作。然而，其具有优越性的同时，炉顶打水不当也会带来的水煤气爆炸风险。

4.1  炉顶打水要科学合理

必须指出，滥用炉顶打水是造成送风状态下炉顶煤气爆炸的直接原因，也是造成降料面过程中产生爆震的直接原因。无奈的是，现代高炉操作特别是年青一代操作者，已经对炉顶打水产生了过度的依赖，能减风该减风的挺着不减，打打水就挺过去了。心存侥幸是高炉操作和安全生产大忌。怕损失产量，怕领导批评。这应该也是当前炉顶煤气爆炸事故频发且不断向大型化高炉发展的原因。

4.2  煤气上升管设计能力与结尘

由于高炉煤气上升管设计能力偏小，炉顶放散阀打不开及煤气含尘粘结诸多因素影响。含尘可吸附水分及煤气，也吸附因炉顶打水产生的少量氧气，同时也会沉积一些碱金属物质。这些吸附物在高炉正常状态下，不会自燃，爆炸的几率很小。但它遇到炉内煤气爆炸，却可以迅速连爆，催化和加剧爆炸的危害。

4.3  高炉停炉正确打水方法 

正确的打水停炉，水在炉内的轴向分布，应是在料面与打水管之间存在着高温层(无水层)、汽化层、水滴层，称为三层次分布。料线空的越深，炉顶温度越高，高温层、汽化层就越厚；反之亦然。当炉顶温度过低时，其高温层可能消失。这是打水停炉的一种失误，如遇悬料崩料，可引起水煤气大爆炸。因此空料线停炉，炉顶温度不宜太低，但也不宜过高。过高不但会使停炉过程中烧损炉顶设备和引起炉顶煤气放散阀着火，更会使高温层、汽化层加厚，煤气中H2含量猛增。一般空料线打水停炉，炉顶温度控制在150-250℃为宜。 

如果在停炉过程中，破坏水在炉内的合理分布，将导致破坏性的大爆炸。如某厂1号高炉，1981年4月停炉接连发生两起大爆炸。

4.4  改进打水装置与方法

（1）打水装置加氮气雾化；

（2）按温度条件控制打水量；

（3）高炉及时大幅度减风；

（4）炉顶放散阀及时泄爆；

（5）重新校核上升管能力；

（6）重大炉况处理要制定《应急预案》。

5  结论

（1）经过几起案例分析，造成高炉炉顶水煤气爆炸的主因是大量的水进入炉内，形成易爆性极高的含氢气的水煤气。满足温度条件后产生爆炸。

（2）造成以上几起生产中高炉煤气爆炸的直接原因除了滥用炉顶打水，使得煤气中氢氧浓度升高满足爆炸条件意外。还有追求产量，没能及时大幅度减风，出现管道行程，迅速达到温度条件，炉顶放散阀打不开，不能及时泄压等多重原因。生产中应努力做到全面采取有效措施，并努力改进打水设备，实现全雾化打水，实现科学合理打水，保证安全生产。

6  参考文献

[1] 方大特钢2号高炉“5•29”煤气上升管爆裂较大生产安全事故调查报告，泰科钢铁技术论坛第1期.

[2] 汤清华.181死312伤，钢厂近年来32起煤气中毒事故案例分析及预防，冶金安全.

[3] 刘全兴.高炉开炉与停炉操作知识问答[M].北京：冶金工业出版社，2013年.

[4] 张万仲、刘全兴.空料线回收煤气停炉[J].鞍钢技术，1986（5），37-42.

[5] 凌绍业.停炉的爆炸与预防[J].炼铁1983（3），13-15.

[6] 刘全兴编著，高炉热风炉操作与煤气知识问答[M].北京：冶金工业出版社，2005年.

[7] 刘全兴.冶金企业煤气事故产生原因分析及防范对策[N].中国冶金报，2004.10.21.